短管填料有效表面积比理论分析及试验研究

第 8卷 � 第 15期 � 2008年 8月 1671�1819( 2008) 15�4228�06� 科 � 学 � 技 � 术 � 与 � 工 � 程 Science Techno logy and Eng ineering � Vol�8� No� 15� Aug. � 2008 � � 2008� Sci� Tech�Engng� 环境科学 短管填料有效表面积比理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 及试验研究 田玉兰 � 翁锦萍 (南京林业大学木材工业学院,南京, 210037 ) 摘 � 要 � 水的浊度去除效果是短管填料性能研究的重要内容。提出短管填料基本特性指标有效水平投影表面积比, 通过建 立数学统计计算模型, 计算出在短管填料随机堆满的状态下, 有效表面积比 �e = 0� 5。以此为基础推导出短管填料有效面积 增加倍数 ke、填料床出口处的剩余浊度和水的浊度综合去除率计算公式, 为短管填料对浊度去除的理论分析提供了基础。并 根据 �浅池 理论, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 出平流条件下的填料床试验装置和试验方案, 试验结果与理论分析吻合很好。研究成果对今后的研究 具有较强的理论意义。 关键词 � 短管填料 � � 有效表面积比 � � 浊度去除率 中图分类号 � X703� 3; � � � � 文献标志码 � A 2008年 4月 3日收到 第一作者简介:田玉兰 ( 1971! ), 女,讲师, 研究方向: 水污染控 制理论及应用、建筑节能, E�m ai:l t ian�yu lan@ 163� com。 � � 填料在水处理中有着广泛的应用, 填料的作用 主要有以下三方面 [ 1] : ∀为微生物提供附着生长的 载体; #促使废水在填料空隙间曲折流动形成再分 布更为均匀; ∃填料对水中的悬浮物有一定的截留 作用, 可减少出水悬浮物浓度。按照填料的充填方 式,我国目前使用的填料大致可以分为定型固定 式、悬挂式和分散型 (堆积式、悬浮式 )三大类 [ 2, 3]。 对填料的物理特性评价通常包括下列一些指 标: ∀单位体积中的填料个数 ( n) [ 2, 4, 5] ; #比表面积 ( aT ) ; ∃空隙率 (�); %干填料因子和填料因子; &湿 填料因子; ∋堆积重度 ( !); (比重 (!)。 通常在水中投加短管填料, 可以提高水浊度的 去除率, 其原理类似于斜管沉淀池 [ 6, 7]。只不过是 斜管沉淀池是人工安装, 斜管倾斜角度一定 (一般 为 60)) ,投加斜管后产生水平投影面;而随机投加 短管填料后, 短管填料在空间内随机堆放, 在某一 截面上产生任意角度, 水平投影面增加计算不像斜 管那样简单。但是,任意角度的短管填料都会产生 水平投影面,其工作原理见图 1。 图 1� 短管填料去除悬浮物工作原理图 � � 从图 1中可以看出, 不论短管填料处于何种状 态 (垂直除外 ),短管的外上和内下表面都会产生水 平投影面,从而增加对悬浮物的去除。 根据 �浅池 理论,短管填料增加的水平投影面 对浊度去除影响很大。下面通过数学推导和试验 来研究短管填料的新物理特性 ! ! ! 有效表面积比 (填料的有效投影面与总表面积比记为 �e )及其实 用意义。 1� 短管填料的有效表面积比理论分析 由于填料在分布时是随机堆放的, 填料的轴向 指向在空间上是任意角度,直接量测填料的水平投 影面积是不现实的。可以定义填料有效面积比为 填料的水平投影面积占填料的总表面积的比例,通 过计算填料有效面积比来确定填料的水平投影面 积。填料有效面积比 �e是填料的一个基本物理特 性。当填料水平放置 (倾斜角度为 0)) , �e = 2 /∀; 当填料垂直放置 (倾斜角度为 90)) , �e = 0。为了 计算填料有效面积比 �e , 可以建立一个数学模型。 有以下基本假定: 1)堆放填料的空间足够大, 填料的数量足 够多; 2)填料在空间内其轴向指向为任意角度,且在 各个方向是随机分布,机会均等; 3)填料在空间内其轴向指向不分正负方向。 在本模型中, 将填料随机堆满于球形空间内, 球的半径 R足够大, 填料数量为 n个。基于假定 2) 可以认为 n个填料的轴向指向均不相同。不失一般 性,认为这 n个填料的轴向指向将以球心为坐标原 点的空间等分,因此每两两相邻的填料的轴向指向 夹角为 #∃。填料的轴向就将球体等分为 2 n个小 锥体。锥体底面积由边长 Rd∃正方形组成。见 图 2。 图 2� 填料随机堆满球形空间的计算模型 1�1� 求解填料的总表面积 ST 根据相容条件, n个填料的体积应与球体的体 积相等,即: Vs = nV1 ( 1) V s = 4 3 ∀R 3 ( 2) V1 = 4∀lr2 ( 3) 式中: V s ! 球体的体积, V1 ! 单个填料的体 积, n ! 填料的数量, R ! 球体的半径, r ! 填料截 面的半径, l ! 填料轴向长度。 由于各填料的轴向将球体等分为 2 n个小锥 体, 当 n足够多, 则 d∃足够小,可用锥体体积公式来 计算各块锥体体积。锥体的几何形见图 3。 图 3� 锥体的几何图形 单个锥体体积公式: Vz = 1 3 ∃2h = 1 3 R 3 d 2∃ (4) 填料的轴向将球体等分为 2 n个小锥体, 球体 内填料有 n个,由相容条件, 2个小锥体体积与单个 填料体积相等。也就是单个填料被安排在以球心 对称的 2个小锥体内。 2Vz = V1 ( 5) 将式 ( 2) 、式 ( 4) 和式 ( 5)带入式 ( 1)得到球体 内填料的总数 n: 4 3 ∀R3 = n 2 3 R 3#2∃, n = 2∀#2∃ ( 6) 单个填料的表面积 S1 : S1 = 2∀lr ( 7) 填料的总表面积 ST : ST = n2∀lr = 4∀ 2 #2∃lr ( 8) 单个填料的最大水平投影面积 S1e。由于填料 422915期 田玉兰,等: 短管填料有效表面积比理论分析及试验研究 � 是圆柱状,其在水平面投影面积大小与轴向旋转无 关,仅与轴向同水平面的夹角大小有关, 当夹角为 0 是有最大水平投影面积 S1e : S1e = 2 ∗ 2lr = 4lr ( 9) 填料的总表面积 ST 可用 S1e表达为: ST = ∀2 #2∃S1e ( 10) 1�2� 求解填料在水平面上总投影面积 ST e 由于填料是圆柱状, 其在水平面投影面积大小 与轴向旋转无关,仅与轴向同水平面的夹角 ∃大小 有关。 设填料在任意夹角 ∃处,单个填料在水平面投 影面积 S1e∃ : S1e∃ = S1e cos∃ ( 11) 由立体几何知识可知,凡是夹角为 ∃的填料在 水平面投影面积 S1e∃是相同的, 因此可以用数学归 纳法求出不同夹角的填料在水平面投影面积。 可由假定 3)可以知道,夹角 ∃变化范围: 0- ∀ 2 。因此,可以安排共 ∀ 2#∃层。 将所用的层的填料总水平投影面积叠加起来 就是填料在水平面上总投影面积 ST e : STe = + ∀ 2#∃ i= 1 S1e 2∀ #∃ cos 2 ( i- 1) #∃ ( 12) 1�3� 求解填料有效面积比 �e 由定义可以知道, 将式 ( 8) 和式 ( 12 )带入 得到: �e = ST e ST = + ∀ 2#∃ i= 1 2 ∀cos 2 ( i- 1) #∃ ∗ #∃ ( 13) 当 n足够大, d∃, 0时,有: lim#∃, 0+ ∀ 2#∃ i= 1 co s 2 ( i - 1) #∃∗ #∃= − ∀ 2 0 co s 2∃d∃ = ∀ 4 , 于是: �e = 2∀ ∗ ∀4 = 0�5。 由数学推导出, 当填料随机堆放时, 填料的有 效面积比 �e = 0�5。 2� 短管填料床增加有效面积的倍数 ke 设单个填料半径为 r0,长度为 l0,在每立方米内 的数量为 m 0个。填料床内填料长宽高分别为 L、B 和H。 填料床内填料总表面积 (水平放置, 面向上方 的 )为: ST = 2∀r0 l0m 0LBH 。 填料床内填料总有效水平投影面面积为: STe = �eST = 2�e∀r0 l0m 0LBH。 填料有效面积相对于填料床的增加倍数 ke : ke = STe LB = 2�e∀r0 l0m 0H ( 14) 3� 试验研究 3�1� 试验装置 试验装置流程如图 4。配水箱尺寸: 0�695 m ∗ 1�50 m ∗ 0�6 m,高位水箱尺寸: 0�52 m ∗ 0�52 m ∗ 0�30 m, 储水箱尺寸: 1�27 m ∗ 0�67 m ∗ 0�58 m, 移 动床水箱尺寸: 1�5 m ∗ 0�34 m ∗ 0�30 m, 填料床长 度可以变化,范围: 0! 1�10m。移动床水箱、配水箱 用薄钢板制成; 高位水箱、储水箱用有机塑料板 制成。 1! 高位水箱, 2! 储水箱, 3! 循环水泵, 4! 循环管, 5! 溢流管, 6! 配水箱, 7! 进水控制阀, 8! 进水区, 9! 填料床, 10! 出水区, 11! 出水控制阀, 12! 金属钢丝网, 13! 水位计, 14! 排污阀 , 15! 配水格栅 图 4� 试验装置流程 4230 科 � 学 � 技 � 术 � 与 � 工 � 程 8卷 3�2� 试验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 试验水源采用自配不同浊度水。将粘土筛滤 成细小颗粒, 将一定量的粘土加入一大桶中, 加入 清水人工快速搅拌约 10分钟, 静沉半小时后,将溶 液倒入配水箱中, 加入清水, 同时快速搅拌配成一 定浊度的水。试验运行时,高位水箱与储水箱之间 的水用循环水泵进行循环, 以保证水的浊度不变。 所有监测数据,均为流态稳定运行相应的停留时间 (填料床中换过水 )后才开始监测。用浊度仪对出 水每隔 10m in进行监测, 每次取水样三份。采用最 后平均值作为该时段的出水浊度。 根据浅池理论,填料的堆积方式及投配率直接 影响着填料的水平投影面, 将影响着浊度的去除 率。为了考察投加短管填料的效果,改变水在短管 填料床中的停留时间 (HR t)和进口水的浊度。填料 床长度 (L )为 106 cm,水流截面积 34 cm ∗ 21 cm。 试验安排了 10个试验工况, 填料填充率分别为 0%、50%、70%和 100%。填料加入后上盖金属钢 丝网固定。 试验监测取水采用虹吸法, 每次取水样三份用 浊度仪测量,采用最后平均值作为该时段的出水浊 度。试验取水点示意见图 5。 图 5� 试验取水点示意 3�3� 试验结果及分析 浊度去除监测结果见表 1。 表 1� 不同填充率填料固定时的浊度去除实验数据 工况编号 停留时间 h 堆积方式 平均进口浊度 NTU 平均出口浊度 NTU 计算出口浊度 NTU 误差% 试验平均去除率% 计算去除率% 1 0�5 无填料 298�3 271�3 269�03 0�8 9�05 9�21 2 0�5 50%固定 304�2 245 242�31 1�1 19�46 20�77 3 0�5 70%固定 302 210�2 217�33 - 3�4 30�40 27�84 4 0�5 随机堆满 294�2 188�7 188�34 0�2 35�86 35�94 5 0�78 无填料 185�2 169 162�68 3�7 8�75 12�16 6 0�78 50%固定 187 147 142�70 2�9 21�39 23�71 7 0�78 70%固定 193�3 135�7 133�44 1�7 29�80 30�98 8 0�78 随机堆满 190�7 118�8 116�38 2�0 37�70 39�07 10 1 随机堆满 111�3 70�3 70�5 - 0�2 36�79 36�7 9 12 随机堆满 100 39�88 39�42 1�2 60�12 60�58 � � 试验水体的不同流速、不同进口浊度, 填料按 随机固定按不同投配率, 对于这样的试验结果影响 因素多,按常规分析难以得出量化的规律。 本文引入短管填料的新物理特性 ! ! ! 有效表 面积比概念。基于有效表面积比概念,推导出了出 口处的剩余浊度和水的浊度综合去除率公式。 423115期 田玉兰,等: 短管填料有效表面积比理论分析及试验研究 � 出口处的剩余浊度公式为: Z s = (1 - ( qz1 - qz2 ) k 2 - qz2 ) Z ( 15) ( 15)式中 Z ! 水的浊度 NTU; k ! 填料投配率; qz 1 ! 有填料区域水的浊度去除率, qz1 = 44�16 + 10�32ln ( t) - 92 228 /Z2 ; qz 2 ! 无填料区域水的浊度去除率, qz2 = 44�16 + 10�32ln ( te) - 92 228 /Z 2 ; te ! 无填料区域水深 hw 等效停留时间 h, te = t 2�e∀r0 l0m 0hw + 1。 t ! 水实际停留时间 h。 水的浊度综合去除率公式为: qt = ( qz1 - qz2 ) k 2 + qz2 ( 16) 由表 1各种工况计算结果与试验结果比较可 见,基于有效表面积比概念得到的出口处剩余浊度 计算公式和水的浊度综合去除率计算公式, 在计算 随机堆满状态、任意比例固定式和无填料状态时, 计算结果均与试验值相差很小, 均小于 5%。由此 可见有效表面积比概念的引入, 可以准确计算出短 管填料随机填满时有效面积增加的倍数值 ke,这对 于试验结果分析就具有实用意义。 4� 结语 水的浊度去除效果是短管填料性能研究的重 要内容。本文提出短管填料基本特性指标有效水 平投影表面积比, 通过建立数学统计计算模型, 计 算出在短管填料随机堆满的状态下,有效表面积比 �e= 0�5。以此为基础推导出短管填料有效面积增 加倍数 ke、填料床出口处的剩余浊度和水的浊度综 合去除率计算公式,为短管填料对浊度去除的理论 分析提供了基础。并根据 �浅池 理论, 设计出平流 条件下的填料床试验装置和试验方案。试验结果 与理论分析吻合很好, 说明了短管填料基本特性指 标有效水平投影表面积比的引入合理性。 上述理论分析的不仅可以用于指导短管填料 去除水的浊度设计中, 而且可以用于对短管填料形 状、大小、排列方式以及水在短管填料床中的停留 时间的优化研究中。 参 � 考 � 文 � 献 1� 腾济林 �新型生物膜填料的开发和应用技术的研究 �华北电力 大学硕士论文, 2001: 12 2� 方 � 芳 �催化填料的研制及其变速生物滤池处理城市污水性能 研究 �重庆大学博士学位论文, 2002: 6 3� 迟玉霞 �填料在水处理中的应用 �化工给排水设计, 1998; 2: 21! 23 4� 朱乐辉,朱衷榜 �水处理滤料 � 球形轻质陶粒的研制 �环境保 护, 2001: 1: 35! 36 5� 魏在山,孙佩石,黄若华,等 �生物法处理低浓度有机废气的填料 选择研究 �重庆环境科学, 2001: 23( 2 ) : 40! 45 6� 朱 � 亮,田玉兰,严 � 晖 �短管填料对沉淀池沉淀效果的改进 � 河海大学学报, 2004: 32( 3) : 248! 251 7� 严 � 晖 �短管填料截留悬浮物的试验研究 �河海大学硕士学位 论文, 2002: 12 (下转第 4237页 ) 4232 科 � 学 � 技 � 术 � 与 � 工 � 程 8卷 Research on Gencos 'B idding Strategy in SpotM arket Based on Theory ofGam e WANG Shu�dong, SH I Song�Tao* , L iH a i�tao, LI Jing�zh,i XUE�Y i1 ( C ollege of E lectrical and In form ation Eng ineering, LanzhouU n iversity ofTechnology, Lanzhou 730050, P�R�Ch ina; Northw est Ch ina G rid C ompany L im ited1, X i. an 710048, P�R�Ch in a) [Abstract] � U nder e lectricity marke,t pow er generators sa le pow er in spotmarket� It is very importan t to find an efective and reasonable b idd ing mode,l wh ich w ill no t on ly motivate the generating enterprises to strengthen man� agement and improve the effic iency, consequently decreasing the e lectric ity price, but also bring the m arket risk and steady transit ion into considerat ion. R elevant parts of Gam eTheory, M icroeconom ics and Pow erM arketTheory are used to analyze the gam ing behaviors of the generating corporationswhen fac ing the tw om arkets in the spotmar� ket of generation�orientedmarke.t [K eywords] � spotmarket� � cournot compet ition� � linear supp ly function ( LSF) competition� � game equ i� librium analysis (上接第 4232页 ) TheoreticalAnalysis and Experim entalResearch on the Effective Surface Area Ratio of Stub Tube Fillers T IAN Yu�lan, WENG Jin�ping ( College ofW ood S cience and Techno logy, Nan jing Forestry Un iversity, Nan jing 210037, P�R�Ch ina) [Abstract] � The removal efficiency of turbidity is the ma in research content w hen study ing the characteristics of the fillers� An basic characteristic param eter of stub tube fillers, the effective horizonta l pro jective surface area ratio ( �e ) , was presented� One num erical model w as developed, and the calcu lated effective surface area�e was 0�5 when the fillersw ere filled up into the packed bed at random� Based on tha,t the ca lculation formulas for themulti� plicat iona l time o f effective surface area (K e ) , and residual turbidity at the out le t po in,t and the in tegrated remova l rate of turb id ity, w ere a lso deduced, wh ich prov ide basis for the theoretical analysis of the remova l of turb id ity u� sing stub tube fillers� A ccording to sha llow pond theory, the packed bed and the experimental plan under advec� t iona l flow condit ions w ere designed� Analytical so lutions are compared favorab ly w ith experimental data� The re� search resu lts have theoret icalmean ings fo r the further study of the related top ics� [Key words] � stub tube fillers� � effective surface area ratio� � removal rate of turb id ity 423715期 王树东, 等:基于博弈论的现货市场中发电厂商报价策略的研究 �